media selection - monash university · 400‐ 700 filter media. aerobic soil (unsaturated) 150....

Media SelectionMedia Selection

400‐

700   FILTER     

MEDIA

AEROBIC SOIL 

(unsaturated)

150

100mm Sub‐surface Drainage Pipe on 5%

grade

Drainage layer 150Drain

Transition layer RIVER SAND

GRAVEL

TREATED 

STORMWATER

Role of Filter Media

• Have adequate capacity to infiltrate incoming  stormwater

• Provide physico‐chemical filtration of  stormwater pollutants

• Support biological community for enhanced  treatment and aesthetic benefits

Key Findings

• Loamy sand• Hydraulic conductivity:

– 100 –

300 mm/hr in temperate climates

– 100 –

600 mm/hr in tropical climates

– An exact hydraulic conductivity is less important than selecting

something in the 

appropriate range

– Initial laboratory assessment is essential

–

use ASTM F1815‐06 (USGA) test method

– Field testing should also be performed intermittently throughout

the life of the 

system

• To ensure structural stability:– Material should be well‐graded and contain no gaps in the particle size range– Total silt and clay content should be less than 3% w/w

• To avoid leaching of nutrients:– Organic matter content should be less than 5% w/w– Phosphorus content should be less than 100 mg/kg

Media Type

• Activity 1.02 (a) Non‐vegetated  filters

– How does filter media perform for  removal of (i) nutrients and (ii) 

heavy metals?– What is the optimal filter media for 

(i) pollutant removal and (ii)  clogging prevention?

– Filter columns dosed with  stormwater for 42 weeks 

• Equivalent to 15 months in “real life”

Non‐vegetated filters: results

Hatt, B. E., T. D. Fletcher and A. Deletic (2008). Hydraulic and

pollutant  removal performance of fine media stormwater filtration systems.

Environmental Science & Technology 42(7): 2535‐2541.

Non‐vegetated filters: results

Hatt, B. E., T. D. Fletcher and A. Deletic (2007). Hydraulic and

pollutant  removal performance of stormwater filters under variable wetting

and 

drying regimes. Water Science & Technology 56(12): 11‐19.

Non‐vegetated filters: conclusions

• Soil and sand‐based filters provide:– Excellent TSS removal

– Excellent metals removal

BUT– They will not reliably remove nutrients on their 

own

• Wetting and drying has a significant influence  on treatment

Media Type

• Activity 1.02 (a) Non‐vegetated filters• Activity 1.02 (b) Optimisation of standard 

biofilter design– Optimising biofilter design for (i) pollutant 

removal and (ii) hydraulic conductivity

Vegetated filters: results

Bratieres, K., T. D. Fletcher, A. Deletic and Y. Zinger (in press). Optimisation  of the treatment efficiency of biofilters; results of a large‐scale laboratory 

study. Water Research.

Vegetated filters: results

• Use of an appropriate soil type provides:– Excellent TSS removal

– Excellent metals removal

– Excellent P removal (total and

dissolved)

• Removal of N is more complicated and is not  governed by media type alone 

– More to come on this during the day

Media Type

• Activity 1.02 (a) Non‐vegetated filters• Activity 1.02 (b) Optimisation of standard 

biofilter design

• Loamy sand– Why not sand?

• Clogging risk• Low sorption capacity• Ability to support healthy plant community?

Hydraulic Conductivity

• Infiltration capacity not  determined by hydraulic  conductivity (Ks

) alone

↑ Ks

to be able to treat  more water

BUT↓Ks

for better pollutant  removal and plant growth

filter mediahydraulic 

conductivity

extendeddetentiondepth

filtersurfacearea

infiltration 

capacity

Hydraulic Conductivity

• For a biofilter that is 2% of the contributing  catchment, use a Ks

of:– 100 –

300 mm/hr (for temperate climates)

– 100 –

600 mm/hr (for tropical climates)

Hydraulic Conductivity

• How to measure?

• Three potential methods  tested

– AS 4419‐2003– ASTM F1815‐06 

– McIntyre & Jackobsen

• Most representative  compaction method

• Most consistent  results

• Simple apparatus

Particle Size Distribution

Composition (% w/w)

Clay & Silt

<3

Very Fine Sand

5 – 30 

Fine Sand

10 – 30 

Medium – Coarse Sand 40 – 60 

Coarse Sand

7 – 10

Fine Gravel

<3

A general guide only!

Particle Size Distribution

• Impact of silt and clay– Important for water retention and sorption of 

dissolved pollutants

BUT

– Reduces hydraulic conductivity if present in  anything more than very small quantities

• Based on a laboratory trial where silt & clay were  added to the a loamy sand in different proportions 

(0 – 15%)

Particle Size Distribution

To ensure structural stability, the filter media  should:

• Have all particle size ranges present from the  0.075 mm to the 4.75 mm sieve

(AS1289.3.6.1 –

1995) 

• Have no gap gradings• Not be dominated by a small particle size 

range

Particle Size Distribution

Soil Properties

• pH: 5.5 – 7.5• EC: < 1.2 dS/m• Organic matter: <5% (w/w)

• Phosphorus: 100 mg/kg

• Soil Nutrition

AS 4419‐2003: Soils for  Landscaping and 

Garden Use

Based on results of non‐ vegetated filters, 

large vegetated filter  column study, and 

field studies

Field Studies

Hatt, B. E., T. D. Fletcher and A. Deletic (in press). Hydrologic and pollutant removal 

performance of stormwater biofiltration systems at the field scale. Journal of Hydrology.

Hatt, B. E., T. D. Fletcher and A. Deletic (in press). Hydrologic and pollutant removal 

performance of stormwater biofiltration systems at the field scale. Journal of Hydrology.

Field Studies

Soil Properties

• pH: 5.5 – 7.5• EC: < 1.2 dS/m• Organic matter: <5% (w/w)

• Phosphorus: 100 mg/kg

• Soil Nutrition

Other Considerations

• Filter media should:– Be free of rubbish, toxicants, declared plants and 

local weeds

– Not be hydrophobic• Avoid dispersive clays

Other Considerations

• Drainage Layer– Efficiently conveys treated water to collection pipes– Clean, fine gravel e.g. 2 – 5 mm washed screenings

• Transition Layer– Prevents filter media from washing into drainage 

layer– Clean, well‐graded sand/coarse sand containing little 

or no finesDON’T

use geotextile fabrics to separate layers.

Use open‐weave shade cloth ONLY

where there is  insufficient depth for a transition layer

Recap...

• Loamy sand• Hydraulic conductivity

– 100 –

300 mm/hr in temperate climates

– 100 –

600 mm/hr in tropical climates

– An exact hydraulic conductivity is less important than selecting

something in the 

appropriate range

– Initial laboratory assessment is essential

–

use ASTM F1815‐06 (USGA) test method

– Field testing should also be performed intermittently throughout

the life of the 

system

• To ensure structural stability:– Material should be well‐graded and contain no gaps in the particle size range– Total silt and clay content should be less than 3% w/w

• To avoid leaching of nutrients:– Organic matter content should be less than 5% w/w– Phosphorus content should be less than 100 mg/kg

Now that we’ve got a suitable filter  media...

• Installation– Compact lightly to prevent migration of fine 

particles

• Field testing of hydraulic conductivity1.One month into operation

2.In the second year of operation 

Useful Tools

http://www.monash.edu.au/fawb/products/index.html